有源散射体的随机激光

发布时间：2018-04-11 04:23

本文选题：随机激光 + 相干性　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：本论文在合成和表征一种荧光散射杂化分子的基础上,详细研究了这种分子聚集体所形成的有源散射体(active scatterers)的随机激光行为。主要内容如下:1.合成并表征了荧光染料N,N'-二[3-(异丁基笼型聚倍半硅氧烷)丙基]傒酰亚胺{N,N'-di[3-(isobutylpolyhedral oligomeric silsesquioxanes)propyl]perylene diimide},简称DPP。另合成了荧光染料N,N'-二环己基傒酰亚胺(N,N'-dicyclohexyl perylene diimide),简称 DCP。把不同浓度 DPP 溶于 CS2 溶剂中,并把这一系列溶液样品封装于内径为200μm,外径为300μm的玻璃毛细管中,通过532nm脉冲激光从毛细管侧面泵浦,实验发现在低浓度样品中即染料浓度小于10 5M时,只检测到荧光现象;当染料浓度高于10 5M时,可以检测到相干随机激光现象。通过光谱分析发现:在浓度低于10-5M时,染料处于单分子状态,而在高于10 5M时,染料处于聚集体状态(主要为低聚体)。由此通过理论分析发现:聚集体内部及聚集体之间的近场散射(Near-zone scattering)作用协助泵浦出了随机激光。通过对比实验,即在同样浓度的DCP及笼型聚倍半硅氧烷(POSS)共混溶液体系中并未检测到随机激光现象,也说明只有通过化学键连接的DPP分子聚集体可以满足近场散射增强的条件(即散射体之间的距离远小于发射光波长)进而泵浦出随机激光。2.固定DPP浓度为10 3M,研究不同有机溶剂(以溶剂折射率排序)对该分子聚集体所形成的有源散射体的随机激光的影响。研究结果表明:只有高折射率溶液样品(折射率大于1.48,比如甲苯,苯乙烯,二硫化碳)中可以泵浦出相干随机激光,而低折射率溶剂样品(折射率小于1.48,比如乙醚,四氢呋喃,四氯化碳,氯仿,二氯甲烷)中,并未产生随机激光。光谱分析以及对散射平均自由程ls的理论计算表明:对于高折射率样品,由于散射基团POSS折射率与环境折射率(即溶剂折射率)差异较大,散射能力较强,ls较小。同时,由紫外可见吸收光谱可知高折射率样品在532nm(泵浦激光波长)处有较强吸收,对应着比较大的增益g,即较小的lg,从而可以泵浦出随机激光。而对于低折射率样品,分为两种情况,一种为溶剂折射率与散射体折射率相近,如四氢呋喃,二氯甲烷,三氯甲烷,其散射能力非常弱,即ls非常大,从而无随机激光产生;另一种情况为两者(溶剂与POSS)折射率差异也很大,如乙醚,四氯化碳,即ls比较小,理论计算其值与高折射率样品(比如甲苯等)相近,但光谱分析发现其最大吸收峰与532nm相差较远,即lg很大,所以在差不多泵浦光强度下,并不能产生随机激光。3.把不同浓度的DPP染料(10-3M-10-6M)溶解于精制的苯乙烯中,加入1wt%AlBN作为引发剂,在体系中插入不同内径毛细管(100μm-7000μm),先把体系加热到60℃,反应2小时,后取出室温放置1-2个月完成聚合。对毛细管中固体样品进行随机激光检测发现:以毛细管内径为300μm,不同浓度样品做比较,发现与之前溶液体系中类似,在高浓度时(大于10-4M),体系泵浦出了相干随机激光,而在低浓度时(小于10-4M),为荧光现象;固定DPP浓度为10-3M,采用不同内径毛细管制作样品进行比较实验,发现在内径不超过300μm时,可以检测到相干随机激光,而在内径大于300μm时,仅观测到了非相干随机激光;对DPP浓度为10 3M,毛细管内径为3000μm的样品做如下实验:当外层毛细管存在时,体系泵浦出相干随机激光;而当毛细管被剥离时,体系只泵浦出非相干随机激光。理论分析表明,毛细管可以形成回音壁模式(Whispering Gallery Modes,WGM)共振,可以提高发射光在增益介质中局域(或停留)时间,有助于形成干涉,即振幅反馈,从而泵浦出相干随机激光,而在无毛细管时,发射光在体系停留时间缩短,只有能量反馈,所以产生非相干随机激光。4.在10-3M DPP的CS2溶液体系中加入一系列不同质量分数(0-25wt%)的聚苯乙烯(PS),从而改变体系粘度,进而改变有源散射体的布朗运动速率,从而影响散射体的动态分布。实验发现,在低粘度体系(PS含量小于20wt%)中可以产生相干随机激光。理论分析发现,低粘度时粒子运动速率较大,当某一粒子运动到其他位置时,其他粒子可以在较短时间内占据该粒子原来位置,从整体来说为稳定的动态分布,而散射体的稳态分布有利于稳定的散射回路(scattering loops)形成,进而产生干涉效应,从而泵浦出相干随机激光;而高粘度体系(PS含量大于20wt%),由于粒子运动速率较慢,另一粒子无法在短时间内占据原粒子初始位置,从而无法形成稳态分布,进而不易形成稳定的散射回路,从而只有能量反馈,只能泵浦出非相干随机激光。因此,可以在该体系中通过调节体系的粘度实现随机激光相干性的转变。5.合成了一系列间隔基(Spacer)的长度分别为0,2,6的单臂胆甾醇取代的偶氮苯衍生物,记为CholXAzo(X=0,2,6)。实验发现只有当4wt%的Chol6Azo掺入胆甾相液晶(60.7wt%E735.3wt%S811)时,可以诱导出蓝相液晶(Blue phases,BPs)。当在蓝相温度区间的较高温度条件下,使用紫外光照射蓝相样品时,紫外辐射可以使样品实现由蓝相到各向同性相转变;而在低温蓝相区域进行紫外照射时,样品仍保持蓝相状态。紫外可见吸收光谱分析表明:高温时蓝相织态结构不稳定,紫外光照时偶氮顺反异构程度较高,从而打破了蓝相结构,实现到各向同性相的转变;低温时稳定的蓝相结构束缚了偶氮异构,较低程度的偶氮异构不足以打破蓝相结构,从而无法实现到各向同性相的转变。从而在该体系中可以实现紫外光可调控的二元相转变。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ617.3

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